Krom elementi; demir esaslı parçaların sertleşebilirliğini arttırmak için kullanılan, ucuz ve geri dönüşümü kolay olan bir alaşım elementidir [46]. Dünyanın büyük demir tozu üreticisi Högenas(İsveç) firmasının imal ettiği, Cr’un ön alaşımlanmış olarak kullanıldığı demir tozları Astaloy CrA, Astaloy CrL, Astaloy CrM’dir [47]. Krom, demir tozu ile ön alaşımlandıktan sonra genellikle karıştırma yöntemiyle içerisine alaşım elementleri eklenerek mekanik özelliklerde iyileştirmeye gidilmektedir. Astaloy CrA tozu, demir ve %1,8Cr elementinin ön alaşımlanması sonucu elde edilmiştir [47]. Astaloy CrL tozunda, ön alaşımlanmış %1,5Cr ve karıştırma işlemiyle toza karıştırılmış %0,2Mo elementi bulunmaktadır. Astaloy CrM tozu, CrA ve CrL tozlarıyla karşılaştırıldığında daha fazla alaşım elementi içermektedir. Bu tozda, ön alaşımlanmış %3Cr ve karıştırılarak alaşımlanmış %0,5 Mo bulunmaktadır. Düşük alaşımlı, Cr kullanılan tozlar; otomotiv ve uçak sanayilerinde yaygın kullanım alanlarına sahiptir [48]. Özellikle; güç iletim ve bağlantı elemanları, Cr ile alaşımlanmış tozların kullanım alanlarıdır.
Astaloy CrA toz alaşımı, genellikle orta ve yüksek dayanım gerektiren uygulamalarda kullanılır [47]. Bu alaşım, nitrürleme ısıl işlemine uygun olduğu için tercih edilebilmektedir. Astaloy CrA tozuna Cu ve Ni gibi alaşım elementleri katılarak, alaşım sinterleme ile sertleştirme işlemine uygun duruma getirilmektedir [47]. Cr alaşım elementinin N ile tepkimeye girme isteği çok fazladır [49]. Bu nedenle azot içeren koruyucu atmosferlerde yapılan sinterleme ve ısıl işlemlerde, Cr miktarının düşük veya yüksek olmasına bağlı olarak CrN ve Cr2N bileşikleri
oluşabilmektedir.
Engström ve arkadaşlarının bir çalışmasında, içerisinde ağırlıkça 1,8Cr-0,6grafit ve 1,8Cr-1Ni-0,6grafit olan numuneler 1120°C’de 30 dakika süre ile %90N2-%10H2
ortamında sinterlenmiştir [50]. Sinterleme işlemi sonrasındaki yavaş soğutma (0,5°C/s) ve sinterleme ile sertleştirme (2°C/s) işlemlerinin alaşımların mekanik özelliklerine etkisi aşağıdaki Çizelge 2.1’de verilmiştir.
32
Çizelge 2.1. Krom içerikli toz alaşımlarının sinterleme ve sinterleme ile sertleştirme işlemleri sonucu mekanik özellikleri.
Alaşım Sertlik (HV10) Çekme Dayanımı (MPa) Uzama (%) Darbe Tokluğu (J) 1,8Cr-0,6C (0,5°C/s) 165 610 2,8 22 1,8Cr-1Ni-0,6C (0,5°C/s) 182 641 2,2 23 1,8Cr-0,6C (2°C/s) 189 698 2,5 22 1,8Cr-1Ni-0,6C (2°C/s) 242 845 1,5 20
Nikel ile alaşımlanmış ve sadece C eklenmiş Astaloy CrA tozunda sinterleme ile sertleştirme işlemi sonrası martensit fazının oluşumuna bağlı olarak sertlik ve çekme dayanımı değerlerinde artış olduğu görülmüştür. Nikel ile alaşımlanmış numunelerde sertlik değerleri ve çekme dayanımı ~%30 oranında artmıştır. Alaşımlama sonrası Astaloy CrA tozunda sinterleme ile sertleştirme işlemi ile yüksek mekanik özellikler elde edilmiştir.
Berg ve diğerlerinin bir çalışmasında, Astaloy CrA-2Ni-0,6grafit toz alaşımı 700 MPa’da preslendikten sonra 1120°C’de %90N2-%10H2 ortamında 30 dakika süre ile
sinterlenmiştir [51]. Sinterleme işleminden sonra bazı numunelere sinterleme ile sertleştirme işlemleri uygulanmıştır. Bu işlemde soğutma hızı 3-5°C/s olarak belirlenmiştir. Sinterleme ile sertleştirme işleminden sonra numunelere 200°C’de 60 dakika süre ile menevişleme işlemi uygulanmıştır. Mekanik özellikler aşağıdaki Çizelge 2.2’de verilmiştir.
33
Çizelge 2.2. Astaloy CrA-2Ni-0,6grafit alaşımının mekanik özellikleri.
SY (g/cm3) Çekme Dayanımı (MPa) Sertlik (HV10) Uzama (%) Sinterleme 7,10 859 240 1,1
Sinterleme ile sertleştirme 7,10 1162 369 0,88
Astaloy CrA tozunda alaşım elementi olarak ağırlıkça 2Ni kullanılması sinterleme ve sinterleme ile sertleştirme işlemleri sonrasında yüksek mekanik özellikler elde edilmesini sağlamıştır. Sinterleme ile sertleştirme işlemi sonrası mikroyapıda martensit fazı oluşumuna bağlı olarak sertlik değerleri ~%50, çekme dayanımı değerleri ise ~%35 artmıştır. Sinterleme ile serleştirme sonrası oluşan sert ve gevrek martensit fazından dolayı % uzama miktarında ise ~%20 düşüş görülmüştür.
Larsson ve arkadaşları, Astaloy CrA içerisine katılan farklı miktardaki Cu ve Ni alaşımları üzerinde sinterleme ve sinterleme ile sertleştirme işlemlerinin mekanik özelliklere etkisini incelemişlerdir [52]. Numuneler 620 MPa’da preslendikten sonra %90N2-%10H2 ortamında 1120°C’ de 20 dakika süre ile sinterlenmiştir. Sinterleme
işleminde soğutma hızı 1°C/s iken sinterleme ile sertleştirme işleminde soğutma hızı 5°C/s’dir. Sinterleme ile sertleştirilmiş numuneler 200°C’de 60 dakika süre ile menevişlenmiştir. Elde edilen mekanik özellikler aşağıdaki Çizelge 2.3’te gösterilmiştir.
34
Çizelge 2.3. Astaloy CrA alaşımların mekanik özellikleri.
SY (g/cm3) Sertlik (HV10) Çekme Dayanımı (MPa) Uzama (%) Astaloy CrA-0,6C (1°C/s) 7,02 154 605 2,8 Astaloy CrA-1Cu-0,6 C (1°C/s) 7,00 187 703 1,3 Astaloy CrA-2Cu-0,6 C (1°C/s) 6,95 211 757 0,9 Astaloy CrA-1Ni-0,6 C (1°C/s) 7,06 201 746 1,7 Astaloy CrA-2Ni-0,6 C (1°C/s) 7,07 241 859 1,1 Astaloy CrA-0,6C (5°C/s) 7,02 301 985 0,3 Astaloy CrA-1Cu-0,6 C (5°C/s) 7,00 320 1056 0,4 Astaloy CrA-2Cu-0,6 C (5°C/s) 6,94 340 1028 0,3 Astaloy CrA-1Ni-0,6 C (5°C/s) 7,05 366 1083 0,3 Astaloy CrA-2Ni-0,6 C (5°C/s) 7,07 411 1066 0,3
Soğutma hızının 1°C/s olduğu durumda; Astaloy CrA-0,6C alaşımında pörlit mikroyapısı, Cu ve Ni ile alaşımlanmış numunelerde beynit ve pörlit mikroyapıları elde edilmiştir. Numunelere sinterleme ile sertleştirme işlemi uygulandığında mikroyapıda martensit fazı elde edilmiş ve buna bağlı olarak mekanik özelliklerde önemli artış elde edilmiştir [52].
Larsson ve arkadaşları, Astaloy CrA-1Cu-0,65grafit alaşımında sinterleme ile sertleştirme işleminin mekanik özelliklere etkisini incelemişlerdir [53]. Presleme
35
işlemleri 700 MPa basınçta yapılmıştır. Sinterleme işlemleri, bantlı fırınlarda 1120°C’de 20 dakika süre ile gerçekleştirilmiştir. Fırında, atmosfer olarak %90N2-
%10H2 gaz karışımı kullanılmıştır. Sinterleme sonrası sinterleme ile sertleştirme
işlemi uygulanmış ve bu işlemde soğutma hızı 3°C/s’dir. Sinterleme ile sertleştirme sonrası numunelere 200°C’de 60 dakika menevişleme yapılmıştır. İşlemler sonucunda numunenenin çekme dayanımı 1060 MPa, sertliği yaklaşık 370 HV10, yorulma dayanımı ise yaklaşık 280 MPa olarak ölçülmüştür.
Frykholm ve diğerleri, Astaloy CrA tozunu ağırlıkça %1Cu ve %1Ni ile alaşımlayarak mekanik özelliklerini incelemişlerdir [54]. Alaşımlara %0,6C eklenmiştir. Presleme basıncı Cu’lı numuneler için 600 MPa iken Ni’li numuneler için ise 400, 600 ve 800 MPa’dır. Sinterleme 1120°C’de 30 dakika süre ile yapılmıştır. Bakırlı numunelerde atmosfer olarak %90N2-%10H2, Ni’li numunelerde
ise %95N2-%5H2 kullanılmıştır. Bakırlı numunelerin mekanik özellikleri Çizelge
2.4’te, Ni’li numunelerin mekanik özellikleri ise Çizelge 2.5’te gösterilmiştir. Çizelge 2.4. Astaloy CrA-1Cu alaşımlarının mekanik özellikleri.
Sertlik (HV10) Çekme Dayanımı (MPa) Uzama (%) Sinterleme 225 714 2,5 Sinterleme ile sertleştirme (3,5°C/s) 337 1148 0,5
36
Çizelge 2.5. Astaloy CrA-1Ni içeren alaşımların mekanik özellikleri.
Sertlik (HV10) Çekme Dayanımı (MPa) Uzama (%) Sinterleme 182 641 2,2 Sinterleme ile sertleştirme (2°C/s) 242 845 1,5
Bakırın ve nikelin eklendiği Astaloy CrA-0,5C tozunda sinterleme ile sertleştirme işlemine bağlı olarak martensit fazı oluşmuştur. Buna bağlı olarak; sertlik değerlerinde ~%30-50, çekme dayanımı değerlerinde ise ~%30-60 arasında bir artış meydana gelmiştir. Nikelin mikroyapısında bakırdan faklı olarak nikelin yavaş yayınımına bağlı olarak kalıntı östenit oluşmuştur [54].
2.6. SİNTERLENMİŞ VE SİNTERLEME İLE SERTLEŞTİRİLMİŞ PARÇALARIN İŞLENEBİLİRLİĞİ
Toz metalurjisi ile üretilmiş parçalardaki gözeneklilik; işleme sırasında soğutucu kullanımını, dolayısıyla ısı iletimini zorlaştırdığı için bu yöntemle üretilmiş parçaların işlenebilirliği gözenekli olmayan parçalara kıyasla daha zordur [55]. Gözenekli parçalarda; işleme sırasında soğutucu akışkan kullanmak, gözeneklere akışkanın dolmasına ve ısı iletiminin yeterli düzeyde olmamasına neden olarak kesici takım ömrünü azaltmakta ve kaliteli olmayan yüzeyler elde edilmesine neden olmaktadır. Bu nedenle toz metalurjisi ile üretilen parçaların işlenebilirliğini artırmak için sülfür, MoS2 ve MnS gibi katkılar kullanılmaktadır [55]. Sülfür ve MoS2
mekanik özelliklerin düşmesine, ölçülerde istenilen toleransların elde edilememesine neden olabilmektedir.
37
İşlenebilirliği artırmak için kullanılan MoS2 sinterleme esnasında S’ü ayrıştırdığı
taktirde mekanik özelliklerde olumsuz bir etki oluşturmamaktadır [55]. Sinterleme atmosferinde hidrojenin olması, H2S oluşturacaktır. Ancak sülfürün sistemden
uzaklaştırılması mekanik özellikleri olumlu etkilerken, işlenebilirliği olumsuz etkilemektedir. Tepkime sonucunda ortaya çıkan H2S gazı fırının parçalarını da
olumsuz etkilemektedir. Bu problemleri ortadan kaldırmak amacıyla MnS daha yaygın olarak kullanılmaktadır [55]. MnS az miktarda kullanıldığında mekanik özelliklere ve ölçü toleranslarına olumsuz etki yapmamaktadır. Olumlu yönlerinin yanı sıra MnS’ün kullanımını kısıtlayan özellikleri de bulunmaktadır. Sinterleme atmosferinde nemin olması mangan oksit ve oksisülfürlerin oluşumuna neden olmaktadır.
Sinterleme ile sertleştirilmiş parçalarda martensitik yapıdan ötürü elde edilen yüksek sertlik değerleri talaş kaldırma esnasında kesici takımlarda aşınmaya neden olmaktadır [55]. Bu nedenle, ham halde veya ön sinterleme işleminden sonra talaş kaldırmak kesici takımın ömrünü uzatmaktadır. Tokluğu ve sertliği yüksek olan CBN ile işlem yapmak sinterleme ile sertleştirilmiş parçalarda kolaylık sağlamaktadır.
38
BÖLÜM 3 3. DENEYSEL YÖNTEM